Fraunhofer IFAM will Alter von Batteriezellen einfacher bestimmen

Um den Zustand von Batteriezellen präziser und ohne Laboraufwand bestimmen zu können, wurde am Fraunhofer IFAM in Bremen die Bestimmung des Wechselstromwiderstands innerhalb der Batterie mittels dynamischer Impedanzspektroskopie weiterentwickelt.

So seien Messungen während des Betriebs möglich, durch die Aussagen zur Leistungsfähigkeit in Echtzeit getroffen werden können, wie das Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung mitteilt. Der Hintergrund der Entwicklung: Die Alterung von Batteriezellen lässt sich unter realen Bedingungen nicht leicht bestimmen. Eine genaue Aussage über den Alterungszustand der Zellen im Betrieb bildet aber die Grundlage für ein besseres Verständnis der Alterungsmechanismen einer Batterie und für eine Verlängerung ihrer Lebensdauer. Genau das soll mit der neuen Messmethode möglich werden.

Genaue Messungen auf Zell- oder Pack-Ebene waren bisher vorrangig im Labor möglich. Doch dort sind die Batterien meist anderen Bedingungen ausgesetzt als im Fahrzeug selbst. Für die Alterung der Batteriezellen ist eine Vielzahl an Faktoren verantwortlich, etwa die Lagerungstemperaturen (die allerdings kaum beeinflusst werden können), der Ladezustand bei längeren Stehzeiten und vor allem die Historie der Lade- und Entladevorgänge.

„Es sind also viele variierende Einflussfaktoren über große Zeiträume, weshalb die präzise Bestimmung des Alterungszustands komplex und bisher mit erheblichem Aufwand verbunden ist“, erklärt das Fraunhofer IFAM. „Dabei basieren bestehende Ansätze entweder auf Simulationen, die eine vereinfachte Beschreibung des Batteriesystems und des Zersetzungsprozesses darstellen, oder auf experimenteller Extrapolation der Zyklenlebensdauer der Batteriezellen.“

Der Haken bei der simulativen Modellierung: Man benötigt die Kenntnis über alle notwendigen Detailprozesse für jeden Zelltyp, auch wenn diese noch gar nicht bekannt oder unverstanden sind. Außerdem muss zur Übertragung auf eine neue Zellchemie der gesamte Beschreibungsprozess erneut durchgeführt werden, was wiederum erheblichen Aufwand mit sich bringt. Dies ist auch bei der Extrapolation aus Messungen der Fall, da hier für jeden zu beschreibenden Zelltyp und alle existierenden Umgebungsbedingungen (Temperatur, Lastprofil, etc.) der komplette Messaufwand durchgeführt werden muss. Und selbst dann werden Faktoren wie die Temperaturverteilung innerhalb einer Zelle noch nicht einmal berücksichtigt.

Daher wollen die Fraunhofer-Forschenden bei ihrem Modell „mit einem begrenzten Kenntnisstand zur Zellchemie“ auskommen. Hierfür werden laut der Mitteilung mathematische Modelle für nichtlineares Verhalten mit „Memory“-Effekten (sog. Volterra-Reihen) zur Beschreibung der Zelleigenschaften verwendet. Dieser Ansatz bietet demnach den Vorteil, dass die Ausgabe des Systems von der Eingabe in das System zu allen Zeiten abhängt, das System also ein Gedächtnis über alle vorherigen Vorgänge erhält, was zur Beschreibung des Alterungsprozesses unerlässlich ist.

Der entscheidende Schritt sei dann die Messung der dynamischen Impedanz der Batteriezellen während des Einsatzes, d. h. während des Ladens bzw. Entladens der Zelle. Es ist dabei möglich, die mathematischen Parameter zur Beschreibung des Verhaltens der Zellen direkt zu messen. „Mithilfe dieser mathematischen Darstellung können dann auch nicht gemessene Zustände berücksichtigt werden, wodurch die Übertragbarkeit auf andere Umgebungsbedingungen und Zellchemien, also die Berücksichtigung komplett neuer Batterietypen, ermöglicht wird“, so das Fraunhofer IFAM.

Damit sollen zum Beispiel auch Feststoffbatterien in Zukunft erfasst werden können. Zudem könnten diese Funktionen direkt in das Batteriemanagement implementiert werden, womit sich zu jeder Zeit alle notwendigen Daten zur Lebensdauerprognose gewinnen lassen – ohne zusätzlichen Laboraufwand.
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